地源热泵地埋管换热器换热性能试验研究

沈德安

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

地源热泵地埋管换热器换热性能试验研究

沈德安

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

影响地源热泵系统效果的关键因素是室外地埋管换热器的设置情况，影响地埋管换热器换热性能的主要因素是岩土的综合导热系数、综合比热容以及钻孔的总热阻等热物性参数。各工程所在地地质条件差异很大，如何得到地埋管换热器换热性能参数是地源热泵系统设计必须解决的问题。本文基于线热源模型得出换热器内流体平均温度与时间的对数关系曲线，通过测试地埋管换热器进出口水温，进而推算出岩土的综合导热系数及热阻，大大简化了计算过程。此外，通过对地埋管测试井长期连续监测发现，在寒冷或严寒地区对于冬夏季冷热负荷不平衡的系统，室外地埋管换热区岩土温度呈下降趋势，设计时应考虑解决措施。

地源热泵 地埋管换热器 换热特性 线热源

地源热泵技术是利用电能等高位能源从地表浅层提取地热资源的一种新能源运用技术，地埋管地源热泵系统由换热器、热泵主机和末端用户三部分组成，其中影响系统的关键因素是地埋管换热器的设计与施工［1］。目前，工程上普遍采用的方法是通过冷热响应模拟地源热泵系统实际运行工况，在施工安装前进行现场测试［2-3］。对地源热泵U型管地下换热器运行工况的模拟，当前国内外工程中使用较多的是线热源模型和柱热源模型［4-5］。影响地埋管换热器性能的直接因素是岩土的综合导热系数、综合比热容和钻孔总热阻等热物性参数。

近年来，很多地源热泵工程实际应用中出现了问题，主要是由于地埋管换热器的选型设计或施工不当，导致实际运行效果不好，亦或是工程造价过高等，这主要是因为各地岩土的热物性差异很大［6］。据文献［7］，地下岩土导热系数发生10%的偏差便会造成设计的地下埋管长度产生4.5% ～5.8%的偏差，最终导致钻孔和地埋管长度发生偏差，影响工程的运行效果和工程造价。在工程测试中，为推算出岩土的热物性参数，首先应建立合理的地埋管换热器的传热计算模型。现在有关换热器的计算模型有很多文献，目前已经提出并公开发表的已经有30余种模型［8-10］。研究表明［11］，在换热初期阶段，柱热源和线热源模型的计算结果会有显著差别，但随着换热时间的延长，两种模型计算结果的相对误差会逐步缩小，而且时间越长误差越小，因此在工程研究中完全可以采用线热源模型进行分析计算，而应用圆柱面模型会使计算变得复杂许多。本文结合具体的太阳能耦合地源热泵系统工程来研究地源热泵地埋管换热器换热性能。

1 工程概况

工程位于山西省五寨县三岔站站区，项目于2008年8月开展设计，2010年7月投入运行，至今系统运行状况良好。整个太阳能耦合地源热泵系统为站区综合楼提供空调、采暖及生活热水供应，综合楼冬季采暖设计热负荷为1 420 kW，夏季空调设计冷负荷为1 016 kW，生活热水最大耗热量157 kW。机房内设置2台螺杆式地源热泵机组，压缩机为半封闭式双螺杆压缩机，采用4段容量调节方式，即100% ～75% ～50%～25%，其中25%为起动过程。通过人性化的液晶PLC中文界面操作微电脑控制器，能随时监控机组运行状态;空调系统末端设备为风机盘管。室外共设地埋管换热井536口，井深100 m，其中有494口双 U型地埋管换热器井和42口单U型地埋管换热器井。通过水平集水管和分支管，将4个并联环路连接成一个完整的换热系统。当地采暖期自当年10月底至次年的4月初，约5个月。空调期自6月至8月，约3个月。

2 地埋管换热器传热线热源模型

建立线热源模型，首先应作以下假设:

1)将钻孔内当作一个整体，将地埋管换热器当作一个当量直径的线热源;

2)地埋管换热器按照辐射状向周围岩土传热;

3)将管子周围的岩土和回填材料看成是无限大的实体。

基于以上假设，换热井周围的传热实际上可以简化为一维轴对称问题。由于钻孔半径较小，该模型的数学表达式可以简化为［12］

式中:T=T(r，t)，是t时刻r处的岩土温度，℃;λZ为岩土综合导热系数，W/(m·K);ρs为岩土密度，kg/m3;Cs为岩土的比热容，kJ/(kg·k);T0为未受扰动时的岩土原始温度，℃;rb为钻孔半径，m;ql为每延米长线热源的热流强度，W/m。

根据上述线热源模型，可以得出其理论解析解，流体的平均温度Tf(t)为

根据地埋管换热器的线热源模型理论，换热量恒定时，系统循环流体的平均温度与时间存在对数关系，即

岩土综合导热系数λZ和钻孔内的总热阻R0的计算公式如下

式中，k为拟合曲线的斜率值。

3 试验测试

试验测试过程中，在地埋管换热区中间和边缘共选取2口有代表性的换热井进行温度的测量，温度传感器分别安装在距地面5，35，65和95 m的位置。温度测点布置如图1所示。

图1 换热井内温度测点分布(单位:m)

测试结果表明，原始无热源干扰时循环温度在10.5℃左右波动，岩土初始温度可视为10.5℃。试验测试参数如表1所示。

表1 试验测试参数

4 地埋管换热器性能分析

4.1 岩土热物性分析

图2是2011年8月地埋管换热区岩土温度变化曲线。可以看出，浅层岩土温度波动十分明显，地下5 m处的岩土温度波动较大，随着岩土深度增加，温度波动越来越小。这是因为浅层岩土受地面和气候环境的影响比较大，而深层的岩土受到的影响较小。此外岩土温度的分布呈现一定的梯度，随着深度的增加有一定的温升，但从地下5 m到95 m之间，岩土温度升高在1℃以内，这说明地埋管区温度的分布还是比较均匀的，设计中可以把它看成一个较为均匀的温度场。

图2 8月岩土温度变化曲线

图3 测试井中7月底至次年2月初岩土温度变化曲线

图3是从2011年7月底至2012年2月初的两个测试井内岩土温度变化曲线。由图可以看出，岩土温度刚开始缓慢上升，这是因为当地夏季空调期比较短，而且夏季空调冷负荷也比较小。从10月底开始供暖后，岩土温度出现持续下降，这是因为本项目处于寒冷地区，冬季供暖期较长，热负荷较大。2012年2月初的岩土温度与岩土初始温度(10.5℃)相比下降了将近3℃，因此本项目所研究的地源热泵系统在冬夏季运行过程中，其吸排热量未能够达到平衡。

图4所示为地源热泵系统连续稳定运行情况下，根据实测数据所拟合的地埋管进出水平均温度与运行时间关系曲线。

图4 地埋管进出水平均温度与运行时间关系曲线

由图4可知，拟合曲线斜率 k等于1.538 3，根据实测数据，ql为15.3 W/m，故由式(4)可计算出 λZ等于0.792 W/(m·℃)。本工程当地土质以砂土为主，查有关资料得岩土密度ρs=1 374 kg/m3，岩土的比热容Cs=1.51 kJ/(kg·k)［13］，由式(5)计算可得 R0=0.314 m·k/W。

4.2 地埋管换热器换热特性分析

1)夏季工况

图5所示为2011年7月26日、8月9日和8月17日这三天中某一时段地埋管换热器的进出水温度及换热量变化曲线。由图5可以看到，在不同的进水温度、相近的换热时间内，换热器的出水温度比较接近。在8月17日，进水温度有上升趋势，但经过一段时间后，出水温度最终接近7月26日的温度值。这是因为在该系统中，夏季地埋管换热器的释热能力充分，岩土的换热能力充足，完全满足夏季制冷需求。夏季地埋管换热器平均换热性能测试结果如表2所示。

图5 夏季地埋管换热器进出水温度及换热量变化曲线

表2 夏季地埋管换热器的换热性能测试结果

2)冬季工况

图6所示为系统在冬季供暖过程中，地埋管换热器进出水温度的变化曲线。可以看出，在系统刚启动阶段，地埋管换热器进出水温度比较稳定，随着换热持续，换热器进出水温度先呈现缓慢下降的趋势，但随着换热过程的延长，换热器又逐渐进入平稳换热状态。

图6 地埋管换热器进出水温度曲线

图7和图8分别为2011年1月14日、1月25日和2月10日某一时段地埋管换热器进出口水温、每延米井深的换热量变化曲线。

图7 冬季地埋管换热器进出水温度变化曲线

图8 冬季换热器每延米井深换热量变化曲线

从图7中可以看出，每天的进出水温度基本稳定，但系统持续运行一段时间后，地埋管换热器出水温度有所下降。从图8可以看出，1月14日每延米井深换热量约为11 W/m，到1月25日后略有下降，到2月10日每延米井深换热量仅约为10 W/m。这说明该系统在冬季连续运行后，地埋管换热器的换热能力有所减弱，但并未出现明显的恶化。这主要是因为长期的取热过程中，地埋管换热区的岩土温度没有及时恢复，故地埋管换热器的换热能力有所下降。根据现场测试来看，该供暖季岩土温度下降对系统没有造成明显的影响，系统可以稳定运行。须说明的是，地源热泵系统是否能常年维持稳定高效运行，取决于非采暖季节是否有足够的热量补偿至室外地埋管区域。根据前面关于岩土温度变化的分析，可以看出系统常年运行后会出现换热量减小、效率降低的趋势。本工程设计中预留有太阳能跨季节蓄热措施，可以解决此问题。冬季地埋管换热器平均换热性能测试结果如表3所示。

表3 冬季地埋管换热器换热性能测试结果

5 结论

1)在实际工程测试中，基于线热源模型研究地源热泵室外地埋管换热器换热性能及岩土热物性的方法切实可行，根据线热源模型理论解析解，可以计算出岩土综合导热系数λZ和钻孔内的总热阻R0等热物性参数。

2)对于寒冷或严寒地区，冬夏季冷热负荷严重不平衡的地源热泵系统，根据一个空调季和一个采暖季对地埋管区岩土温度监测结果显示，埋管区岩土温度会呈现持续下降趋势。这会影响地埋管换热器换热量大小以及地源热泵系统性能，需要采取措施防止系统运行性能恶化。

3)浅层岩土温度波动较大，深层岩土温度波动较小，且随着岩土深度的增加岩土温度有所升高，但从地下5 m到95 m，岩土温度升高在1℃以内。在地源热泵工程设计中，可以将地埋管换热区视为一个均匀温度场进行设计分析。

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Experimental study on heat transfer performance of ground source heat pump buried tube heat exchanger

SHEN De'an

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co．，Ltd．，Xi'an Shaanxi 710043，China)

The key of the ground source heat pump system is the design of the ground heat exchanger．Some soil thermal properties including soil heat conductivity，specific heat capacity and entire thermal resistance of the well drilling affect heat transfer characteristics of ground heat exchanger significantly．However，geological conditions are different in different area，resulting in the difficulty in acquiring ground heat exchanger heat transfer capacity in every project designing．In this paper，the log curve of the relationship between average temperature and time was obtained based on the line heat resource theory．According to the test of the inlet and outlet water temperature，the soil heat conductivity and thermal resistance were calculated，leading to a simpler calculation．Additionally，it was revealed that when summer cooling load and winter heating load was unbalanced in cold area，the temperature dropped in buried pipes outdoors，requiring solutions at the design stage．

Ground source heat pump;Ground heat exchanger;Heat transfer characteristics;Linear heat resource

TK523

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2014．10．28

1003-1995(2014)10-0111-05

2014-06-20;

2014-07-25

沈德安(1981— )，男，云南腾冲人，工程师，硕士。

(责任审编 李付军)